PhET互動式仿真模擬實驗軟件的應用初探

沈德強

摘要：模擬型軟件是科學教育教學中使用最廣泛、最能發揮計算機先進技術的教育性軟件，有壓縮和放大時間、變不可能為可能及提高綜合能力的優點。PhET互動式仿真模擬實驗軟件有開源性好、直觀性強、仿真性高和互動性佳的優點，很適合小學科學“物質世界”教學使用。本文從教師演示科學實驗、學生動手實驗之前先模擬、自主體驗實驗過程及推動學生的自主探究幾個角度分別進行舉例分析。

關鍵詞：模擬軟件；“物質世界”教學

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2015）13/14-0146-04

● 模擬型軟件在科學教育中的意義與價值

20世紀90年代以后，隨著計算機技術、多媒體技術、網絡技術、通訊技術、虛擬技術及數字技術等信息技術的發展成熟，現代教育技術在中小學教育中發揮著越來越重要的作用。正如聯合國教科文組織國際21世紀教育委員會所指出的，“新技術使人類進入了信息傳播全球化的時代”，“這些新技術正在我們眼前引起一場真正的革命，這場革命既影響著與生產和工作相關的活動，又影響著與教學和培訓有關的活動”。《科學（3～6年級）課程標準（實驗稿）》也指出，“要引導學生利用廣泛存在于學校、家庭、社會、大自然、網絡和各種媒體中的多種資源進行科學學習，將學生的科學學習置于廣闊的背景之中”，“各種計算機輔助教學軟件、文字處理軟件、數據庫軟件、畫圖軟件、教學評價軟件、甚至包括某些智力游戲，都是很好的教學資源或工具”。

計算機教學軟件從類型上劃分主要包括練習軟件、輔導軟件、模擬軟件及通用軟件等。其中，模擬型軟件（Simulation software）是科學教育教學中使用最廣泛、最能發揮計算機先進技術的教育性軟件。尤其對于一些自然景觀的觀察及科學實驗過程的操作，由于各種原因，學生不能在學習中產生“身臨其境”之感，而模擬型軟件則提供了一個很好的學習情境。其主要有如下優點：

①壓縮和放大時間。模擬型軟件“壓縮”和“放慢”的功能對學生進一步理解科學知識是十分有益的，其更大的優點是學生可以控制實驗進程，可隨時重復、放慢（加快）某一環節，這在傳統實驗中是不可想象的。

②變不可能為可能。模擬型軟件能把過去在課堂上不太可能或根本不可能做的實驗搬進課堂。在整個操作過程中，學生不僅可以調節實驗的進度還可以隨著實驗的進展排除故障，回答軟件中預先設計好的問題，并對下一實驗步驟做出選擇，學生不單單是信息的接受者，更是科學實驗積極的參與者。

③綜合能力的提高。模擬型軟件能通過游戲、科學實驗及不同形式創設一種情境去鍛煉學生的綜合思維能力和解決問題的能力。

模擬型科學實驗雖然不能完全替代真正的課堂實驗，但對于一些不適合在課堂上做的，或是由于資源及種種原因不能讓學生親自動手的課堂實驗和活動實在是一個很好的替代。 PhET互動式仿真模擬實驗軟件就是其中一例。

● PhET互動式仿真模擬實驗軟件的發展與特點、功能

PhET互動式仿真模擬實驗軟件（下文簡稱為PhET）來源于美國科羅拉多大學的PhET計劃（Physics Education Technology project），即物理教育科技計劃的簡稱，該計劃通過建立互動式仿真模擬實驗科學網站（http：//phet.colorado.edu/），提供物理、化學、生物、數學及地球科學等模擬實驗，所有軟件經嚴格測試和評估后發布，供教師示范、學生作業以及代替實驗操作。其中的互動模擬實驗以Java語言和Flash多媒體軟件開發為主，已有50多個國家和地區參與其中并進行軟件的本地語言化。2010年發行中文安裝包，使用者僅需相應的瀏覽器便可以執行選定的模擬實驗，網站上的模擬實驗屬于公共授權，使用者無需付費或特別取得授權即可直接使用，可以在線運行，也可以下載后使用，這一優勢對物質水平較低的或者無網絡覆蓋的地區尤為重要。

PhET主要是研究仿真技術，以改進物理及其他理科教學，通過趣味互動的游戲方式，幫助學生理解生澀難懂的概念以及蘊藏的數理關系，提高學生學習的興趣。該軟件適用于以下情況：①理解枯燥的抽象概念和規律（如運動學、拋物線、可逆反應等概念）；②觀察極其微小的（如原子、電子）或極其巨大的對象（如太陽系、冰河等）；③記錄反應速度太快（如核反應）或太慢（如溫室效應）的實驗數據；④使用實驗器材昂貴（如MRI核磁共振造影）或重復進行不同參數條件的測試的實驗（如熱、化學反應速率等）；⑤具有危險性的實驗（如觸電、易燃性、放射性等實驗）。

PhET的特點為：①開源性好。采用Java和Flash多媒體軟件開發，授權模式為公共授權，可以自由、免費使用。并且網站提供相關模擬實驗的源代碼，可供教師和學生下載研究，通過自由平臺可以進行再創作。②直觀性強。采用動畫、圖片、表格等方式呈現學習內容，使教學內容更加直觀化，且在學習過程中，給予適當的幫助、提示和操作指示，方便教師的實驗指導，也有利于學生的自主學習。③仿真性高。能提供近似真實的實驗情境、仿真的實驗器材，當改變實驗參數時，將發生精確的實驗變化，產生真實的實驗效果，便于師生的實踐操作。④互動性佳。克服了同類模擬實驗工具僅能演示或者少量互動操作的缺點，給師生提供更多的參與互動機會。學生可以根據提示，操作實驗儀器，使用測量工具，改變實驗參數，進行數據采集和整理，做到真正的理解。

● PhET在小學科學教學中的應用

“物質世界”是小學科學中關于物質和能量的本質及變化的教學內容。包括力和運動、熱和物質狀態、聲音、光、電和磁、物理變化和化學變化。該部分的教學活動一般以觀察物體的性質和通過實驗來了解物質和能量的變化規律。PhET有大量設計成熟的程序可供“物質世界”的教學使用。

1.教師利用軟件演示科學實驗

演示實驗即創設特定條件，重現大自然某些自然現象，并配合教學內容由教師操作的示范實驗。在“物質世界”的學習中大量的客觀事實無法用語言或平面圖來解釋。因而，教師可以通過合理設計、選擇和利用模擬軟件，化抽象為具體，化枯燥為生動，把要研究的科學現象清楚地展示在學生面前，引導學生觀察并進行思考，配合講解幫助學生認識科學現象和規律，建構科學概念，實現傳統媒體無法實現的教育功能。

例如，PhET的“聲音仿真實驗”可以將無形的聲波以直觀形象的方式呈現出來，通過調整聲音產生頻率或振幅，你可以看到和聽到波的變化。移動周圍的聽眾，你可以聽到他所聽到的聲音有什么變化。教師可以把聲波直觀、清楚地展示在學生面前，通過改變頻率或振幅引導學生觀察并思考頻率或振幅與聲音的關系，建構聲波的科學概念（如圖1）。該實驗還可以清楚地看到和聽到空氣壓力的變化對聲音傳播的影響（如圖2）。

2.學生動手實驗前先利用軟件模擬

在小學科學中有一部分實驗由于器材組裝復雜或學生動手能力不足，導致學生獨立實驗不容易成功，這時可利用該軟件的高仿真性特點，由學生在模擬程序中先進行模擬實驗，之后再來組裝實驗器材，會使學生的動手實驗變得容易一些。

例如，PhET的“直流電路”組裝套件中所有元件和儀器都與實際非常接近，在連接上也可隨意擺放，元件還可以在實際圖形和圖符之間轉換。學生利用各種元件組裝好電路后，即可查看電路的運行情況，只要各元件連接正確，電路便可接通，學生可以看到電在電路中的運行，除了有實物圖，還可以轉化成電路圖，利于學生完整、清晰且準確地建構電路的模型（如圖3）。如果學生連接錯誤，發生短路，在現實中，我們只能看到小燈泡被燒毀的一瞬間景象，而在PhET中，學生可以看到電路燃起熊熊大火的景象（如圖4），非常形象直觀。正如網站原文所說的那樣“An electronics kit in your computer！（一套電路元件在你的計算機里！）”通過仿真模擬實驗的先期經驗積累，學生在實際動手組裝電路時就變得相對容易一些。學生會有意識地將導線接在小燈泡的兩個點上，還會仔細檢查電路，以防出現電路短路。

3.借助模擬軟件，學生自主體驗實驗過程

在科學學科的學習中有大量的客觀事實是無法用語言或平面圖進行解釋的。教師可以通過合理設計、選擇和利用模擬軟件，幫助學生理解。

例如，PhET的“能量的形式和轉化仿真實驗”主要由能量介紹和構建自己的能量轉換系統兩個實驗組成。能量介紹實驗主要探討在加熱和冷卻鐵塊、磚塊和水時，能量的增加和減少的情況以及能量如何在這些物體間轉移的（如圖5）。在“構建自己的能量轉換系統”實驗中，你可以改變能量的來源（如水能、太陽能、蒸汽能、機械能）、能量的改變者（如發電機渦輪、太陽能電池板）和能量的使用者（如水、白熾燈、節能燈），跟蹤和可視化能量通過系統如何流動和變化。該模擬實驗為學生提供了從物體的內部進行觀察能量流動的機會，軟件開發者將無形的能量用這一符號形象地表現出來，學生通過觀察能量的流動，就可以直觀地了解能量的流動過程（如圖6）。在“構建自己的能量轉換系統”實驗中，學生完全可以根據自己的想法來構建自己的獨特的能量轉化系統，并體驗不同的能量系統中不同能量（軟件開發者在這一實驗中用不同顏色的E表示不同的能量形式）的轉換和流動的過程。

4.借助模擬軟件，推動學生的自主探究

隨著新課程標準的頒布與實施，越來越體現出研究性學習在科學課程中的重要性。研究性學習強調學生在真實情境中的主動探究，但在實際教學中，由于教學條件和學習時間、空間的限制，完全在現實場景中實施研究性學習是不太現實的。信息技術為研究性學習的順利實施創設了良好的條件。計算機網絡以其便捷性、交互性和超越時空性等優勢，創建了一個開發式的學習環境，網絡資源和多媒體網絡環境成為實施研究性學習的重要物質條件。

例如，在“簡單電路”的學習后，教師可以引導學生通過與實際完全相同的電壓表、電流表等儀器精確測量不同電路（如下頁圖7、圖8所示）中的電壓、電流變化情況。當學生使用電壓表發現串聯電路和并聯電路電壓的不同時，對串聯電路和并聯電路的認識就會更深一層。

小學科學的內容只能使用PhET中很少的一部分軟件，但即使是很少的軟件，也可能由于受到小學生知識的限制，而不能完全發揮它的作用，如“簡單電路”中電流表、電壓表的使用，“聲音”中波的干涉現象，“斜面”中能量、功的變化及測量等都是絕大多數小學生還不會使用的功能。但由于該軟件具有自由、免費使用的特點，學生無論在學校還是在家，都可以隨時登錄網站，下載軟件研究學習，所以，教師可讓那些學有余力或者有探究欲望的學生回家后繼續探究，為學生科學素養的提升留下廣闊的空間。

● 結語

VREL實驗室（“Virtual Reality and Education Laboratory”的簡稱）的發起人之一Veronice Pantelidis博士認為，在教育領域中應用虛擬現實技術的原因有：①激發學習動機。②可以比其他手段更精確地演示某些特征、過程等。③允許在很近的地方考察一個對象。④允許從很遠的距離進行觀察。⑤使殘疾人能夠進行他們原本無法完成的實驗或學習機會。⑥提供從物體的內部進行觀察的機會。⑦允許學習者根據自己的節奏來完成體驗。⑧允許學習者在一個很寬的時間內完成體驗，而不必按照課程表的規定。⑨通過實際使用獲得對新技術的體驗。⑩提供很好的交互性，鼓勵實驗者積極參與。

不過《科學（3～6年級）課程標準（實驗稿）》也指出：“（現代教育技術）是教學過程與方式的有機成分，只能在必要的時候采用恰當的形式進行，千萬不要濫用。尤其對于小學學習科學而言，親歷探究過程、獲取第一手經驗是極為重要的，不能用高新技術代替一切。”

正如課標所言，模擬實驗縱有千般好，也不能用它完全代替學生的親自動手，畢竟模擬軟件不同于實物，學生在動手組裝實物的過程中不僅學到了知識、建構了概念，還可以獲得動手實踐的機會，體驗小組合作的快樂，收獲成功與失敗的情感體驗等，這些都是模擬實驗所無法給予的。

參考文獻：

[1]根據網站原文“This simulation lets you see sound waves. Adjust the frequency or volume and you can see and hear how the wave changes. Move the listener around and hear what she hears.”翻譯.

[2]根據網站原文“Explore how heating and cooling iron， brick， and water adds or removes energy. See how energy is transferred between objects. Build your own system， with energy sources， changers， and users. Track and visualize how energy flows and changes through your system.”翻譯并整理.

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[11]關于PhET：免費的在線物理、化學、生物、地理及數學仿真程序http：//phet.colorado.edu/zh_CN/about2015-05-12.